液态金属流经直浇道时的吸气、撇渣原理及应用

　　液态金属流经直浇道时的吸气问题是二十多年前就提出〔1〕的一个古老而又年轻的课题。这一问题争论至今虽有定论〔2〕,但还存有异议。矛盾的主要焦点是,一方认为直浇道附近砂型中的气体可被流动产生的负压吸入液流,另一方认为当液流内部压力P大于浇注系统型壁表层的气体压力P0时,是充满流动,当P = P0时液态金属将脱离型壁,但无论怎样,型壁上的气隙与液态金属之间没有驱动气体侵入的压力差存在,故气体不可能被吸入流股而是被液流带走卷入型腔的。持续多年争论的各方面均有坚实的理论依据,而通过实验来判定是非又很难,因为双方的结论都是气体进入了型腔,用现代的测试手段很难鉴别出气体是被“带入”的还是“吸入”的,这样就迫使我们不得不认真对双方的观点进行推敲以便找到真正的机理借以指导实践。

　　1　理论分析

　　1·1　吸气的原理分析

　　说法Ⅰ,如图1所示。

　　取1-1,2-2断面的伯努力方程〔3)：

　　式中:Z1,Z2──平均位置水头, m

　　P1,P2──断面1-1和2-2的压力, N

　　V1,V2──断面1-1和2-2的流速, m/s

　　γ──为液态金属的重度, N/m3

　　g──为重力加速度,9·8m/s2

　　由于取2-2为基面,因而Z2=0;h1-2为断面1-1到2-2上阻损水头。设浇道为等径管,故可知V1= V2。

　　由于顶注直浇道敞开对铸型,故P2= P0。

　　那么, (1)式可化成:

　　P1=-γ(Z1-h1-2)<0,即出现了真空度,且是从上到下依次变小的。

　　说法Ⅰ的近似计算是正确的,伯努力方程没有指出当管道透气时就不成立或应进行修正,即对有透气性的砂型也完全适用。因而吸气是不可避免的,只是对吸气应有一个明确的解释。事实上液态金属在流经直浇道时,由于液体对型壁不浸润,造成它们之间会有一层气膜存在〔4〕。金属液在流动时带动气膜的一部分做同向运动。气膜环的运动造成了气隙的负压,必然从型壁的空隙通道中吸收气体进来使之一同向下运动,但它不能浸入液柱中。其原因正如文献〔5〕所述:气体侵入液态金属要克服三种力(液态金属的表面张力、液态金属的静压力、气体入侵使液态金属体积增大所造成的阻力),而且还有入侵气孔的初生核;以上几点由于流动产生是负压,因而都无法满足,不过由于型砂发气量大而造成液固界面上的气压剧增那就是另当别论了。液态金属向下运动进入熔池或型腔中,有可能把气体带入液态金属中,就如缓缓流动的水落入水盆中时也要带进一些气泡一样。说法Ⅱ断言,若P > P0时型腔充满而P = P0时液柱与型壁要分离,这个说法似乎无可非议,但要细考虑,该说法也存在不少问题: